Voltio

Unidad de voltaje derivada del SI

El voltio (símbolo: V ) es la unidad de potencial eléctrico , diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) y fuerza electromotriz en el Sistema Internacional de Unidades (SI) . ^[1]

Definición

Un voltio se define como el potencial eléctrico entre dos puntos de un cable conductor cuando una corriente eléctrica de un amperio disipa un vatio de potencia entre esos puntos. ^[2] Se puede expresar en términos de unidades básicas del SI ( m , kg , s y A ) como

${\displaystyle {\text{V}}={\frac {\text{power}}{\text{electric current}}}={\frac {\text{W}}{\text{A}}}={\frac {{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-3}}{\text{A}}}={\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-3}{\cdot }{{\text{A}}^{-1}}.}$

De manera equivalente, es la diferencia de potencial entre dos puntos que impartirá un julio de energía por cada culombio de carga que pase a través de ellos. Puede expresarse en términos de unidades básicas del SI ( m , kg , s y A ) como

${\displaystyle {\text{V}}={\frac {\text{potential energy}}{\text{charge}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-2}}{{\text{A}}{\cdot }{\text{s}}}}={\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-3}{\cdot }{{\text{A}}^{-1}}.}$

También se puede expresar como amperios por ohmios (corriente por resistencia, ley de Ohm ), webers por segundo (flujo magnético por tiempo), vatios por amperio (potencia por corriente) o julios por culombio (energía por carga), que también es equivalente a electronvoltios por carga elemental :

${\displaystyle {\text{V}}={\text{A}}{\cdot }\Omega ={\frac {\text{Wb}}{\text{s}}}={\frac {\text{W}}{\text{A}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {\text{eV}}{e}}.}$

El voltio recibe su nombre de Alessandro Volta . Como ocurre con todas las unidades del SI que llevan el nombre de una persona, su símbolo comienza con una letra mayúscula (V), pero cuando se escribe con todas sus letras, sigue las reglas de uso de mayúsculas de un sustantivo común ; es decir, voltio se escribe con mayúscula al principio de una oración y en los títulos, pero en el resto de los casos se escribe con minúscula.

Definición de cruce Josephson

Históricamente, el voltio " convencional ", V ₉₀ , definido en 1987 por la 18.ª Conferencia General de Pesas y Medidas ^[3] y en uso desde 1990 hasta 2019, se implementó utilizando el efecto Josephson para la conversión exacta de frecuencia a voltaje, combinado con el patrón de frecuencia de cesio . Aunque el efecto Josephson todavía se utiliza para obtener un voltio, la constante utilizada ha cambiado ligeramente.

Para la constante de Josephson , K _J = 2 e / h (donde e es la carga elemental y h es la constante de Planck ), se utilizó un valor "convencional" K _J-90 = 0,4835979 GHz/μV con el fin de definir el voltio. Como consecuencia de la revisión del SI de 2019 , a partir de 2019 la constante de Josephson tiene un valor exacto de K _J =483 597 .848 416 98 ... GHz/V , que sustituyó al valor convencional K _J-90 .

Este estándar se realiza típicamente utilizando una matriz conectada en serie de varios miles o decenas de miles de uniones , excitadas por señales de microondas entre 10 y 80 GHz (dependiendo del diseño de la matriz). ^[4] Empíricamente, varios experimentos han demostrado que el método es independiente del diseño del dispositivo, el material, la configuración de la medición, etc., y no se requieren términos de corrección en una implementación práctica. ^[5]

Analogía del flujo de agua

En la analogía del flujo de agua , que a veces se utiliza para explicar los circuitos eléctricos comparándolos con tuberías llenas de agua, el voltaje (diferencia de potencial eléctrico) se compara con la diferencia de presión del agua , mientras que la corriente es proporcional a la cantidad de agua que fluye. Una resistencia sería un diámetro reducido en algún lugar de la tubería o algo similar a un radiador que ofrece resistencia al flujo.

La relación entre voltaje y corriente se define (en dispositivos óhmicos como las resistencias ) mediante la ley de Ohm . La ley de Ohm es análoga a la ecuación de Hagen-Poiseuille , ya que ambas son modelos lineales que relacionan el flujo y el potencial en sus respectivos sistemas.

Voltajes comunes

Se puede utilizar un multímetro para medir el voltaje entre dos posiciones.

Pilas tipo C de 1,5 V

El voltaje producido por cada celda electroquímica de una batería está determinado por la química de esa celda (ver Celda galvánica § Voltaje de la celda ). Las celdas se pueden combinar en serie para obtener múltiplos de ese voltaje, o se pueden agregar circuitos adicionales para ajustar el voltaje a un nivel diferente. Los generadores mecánicos generalmente se pueden construir para cualquier voltaje dentro de un rango de factibilidad.

Voltajes nominales de fuentes conocidas:

• Potencial de reposo de las células nerviosas : ~75 mV ^[6]
• Batería recargable de una sola celda NiMH ^[7] o NiCd : 1,2 V
• Pilas de una sola celda, no recargables (por ejemplo, pilas AAA, AA, C y D ): pila alcalina : 1,5 V; ^[8] pila de zinc-carbono : 1,56 V si es nueva y no se ha utilizado
• Niveles de voltaje lógico : 1,2 V, 1,5 V, 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V, 5,0 V
• Batería recargable LiFePO ₄ : 3,3 V
• Batería recargable de polímero de litio a base de cobalto : 3,75 V (ver Comparación de tipos de baterías comerciales )
• Lógica transistor-transistor / Alimentación CMOS (TTL): 5 V
• USB : 5 V CC
• Batería PP3 : 9 V
• Los sistemas de baterías de automóviles tienen 2,1 voltios por celda; una batería de "12 V" tiene 6 celdas, o 12,6 V; una batería de "24 V" tiene 12 celdas, o 25,2 V. Algunos vehículos antiguos utilizan baterías de "6 V" de 3 celdas, o 6,3 voltios.
• Red eléctrica doméstica AC: (ver Lista de países con enchufes, voltajes y frecuencias de red eléctrica )
  • 100 V en Japón,
  • 120 V en América del Norte,
  • 230 V en Europa, Asia, África y Australia
• Tercer carril de tránsito rápido : 600–750 V (véase la lista de sistemas de electrificación ferroviaria )
• Líneas eléctricas aéreas de trenes de alta velocidad: 25 kV a 50 Hz , pero consulte la Lista de sistemas de electrificación ferroviaria y 25 kV a 60 Hz para excepciones.
• Líneas de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje : 110 kV y más (1,15 MV es el récord; el voltaje activo más alto es 1,10 MV ^[9] )
• Rayo : un máximo de alrededor de 150 MV. ^[10]

Historia

Alessandro Volta

Fotografía grupal de Hermann Helmholtz , su esposa (sentada) y sus amigos académicos Hugo Kronecker (izquierda), Thomas Corwin Mendenhall (derecha), Henry Villard (centro) durante el Congreso Internacional de Electricidad.

En 1800, como resultado de un desacuerdo profesional sobre la respuesta galvánica defendida por Luigi Galvani , Alessandro Volta desarrolló la llamada pila voltaica , un precursor de la batería , que producía una corriente eléctrica constante . Volta había determinado que el par de metales diferentes más eficaz para producir electricidad era el zinc y la plata . En 1861, Latimer Clark y Sir Charles Bright acuñaron el nombre de "voltio" para la unidad de resistencia. ^[11] En 1873, la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia había definido el voltio, el ohmio y el faradio. ^[12] En 1881, el Congreso Eléctrico Internacional, ahora la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), aprobó el voltio como unidad de fuerza electromotriz. ^[13] Hicieron que el voltio fuera igual a 10 ⁸ unidades cgs de voltaje, siendo el sistema cgs en ese momento el sistema habitual de unidades en ciencia. Eligieron esa relación porque la unidad cgs de voltaje es incómodamente pequeña y un voltio en esta definición es aproximadamente la fem de una celda Daniell , la fuente estándar de voltaje en los sistemas telegráficos de la época. ^[14] En ese momento, el voltio se definía como la diferencia de potencial [es decir, lo que hoy en día se llama "voltaje (diferencia)"] a través de un conductor cuando una corriente de un amperio disipa un vatio de potencia.

El "voltio internacional" se definió en 1893 como 1 ⁄ 1,434 de la fem de una pila Clark . Esta definición se abandonó en 1908 en favor de una definición basada en el ohmio internacional y el amperio internacional hasta que se abandonó todo el conjunto de "unidades reproducibles" en 1948. ^[15]

Una revisión de 2019 del SI , que incluye la definición del valor de la carga elemental , entró en vigor el 20 de mayo de 2019. ^[16]

Véase también

• Portal de energía

• Órdenes de magnitud (voltaje)
• Tensión de tracción del riel
• Unidades de electromagnetismo del SI
• Prefijo SI para prefijos de unidades
• Tensiones ferroviarias normalizadas
• Voltímetro

Referencias

1. "Folleto SI, Tabla 3 (Sección 2.2.2)". BIPM. 2006. Archivado desde el original el 18 de junio de 2007. Consultado el 29 de julio de 2007 .
2. Folleto BIPM SI: Apéndice 1, pág. 144.
3. "Resoluciones de la CGPM: 18ª reunión (12–15 de octubre de 1987)".
4. Burroughs, Charles J.; Bent, Samuel P.; Harvey, Todd E.; Hamilton, Clark A. (1 de junio de 1999), "Estándar de voltaje Josephson programable de 1 voltio CC", IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 9 (3), Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE): 4145–4149, Bibcode :1999ITAS....9.4145B, doi :10.1109/77.783938, ISSN  1051-8223, S2CID  12970127
5. Keller, Mark W. (18 de enero de 2008), "Estado actual del triángulo de la metrología cuántica" (PDF) , Metrologia , 45 (1): 102–109, Bibcode :2008Metro..45..102K, doi :10.1088/0026-1394/45/1/014, ISSN  0026-1394, S2CID  122008182, archivado desde el original (PDF) el 27 de mayo de 2010 , consultado el 11 de abril de 2010 , En teoría, no hay predicciones actuales para ningún término de corrección. Empíricamente, varios experimentos han demostrado que K _J y R _K son independientes del diseño del dispositivo, el material, la configuración de la medición, etc. Esta demostración de universalidad es consistente con la exactitud de las relaciones, pero no la prueba por completo.
6. Bullock, Orkand y Grinnell, págs. 150-151; Junge, págs. 89–90; Schmidt-Nielsen, pág. 484.
7. Horowitz, Paul; Winfield, Hill (2015). El arte de la electrónica (3.ª ed.). Cambridge [ua]: Cambridge Univ. Press. pág. 689. ISBN 978-0-521-809269.
8. SK Loo; Keith Keller (agosto de 2004). "Características de descarga de baterías de una sola celda utilizando el convertidor elevador TPS61070" (PDF) . Texas Instruments. Archivado (PDF) del original el 15 de octubre de 2023.
9. "La línea de ultraalta tensión más grande del mundo se conecta a través de China" . Bloomberg . 1 de enero de 2019 . Consultado el 7 de enero de 2020 .
10. Paul H. Risk (26 de junio de 2013). "Rayos: naturaleza de alto voltaje". RiskVA .
11. Como nombres para las unidades de diversas magnitudes eléctricas, Bright y Clark sugirieron "ohmio" para el voltaje, "faradio" para la carga, "galvatio" para la corriente y "voltio" para la resistencia. Véase:
    • Latimer Clark y Sir Charles Bright (1861) "Sobre la formación de estándares de cantidad eléctrica y resistencia", Informe de la trigésima primera reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (Manchester, Inglaterra: septiembre de 1861), sección: Matemáticas y Física, págs. 37-38.
    • Latimer Clark y Sir Charles Bright (9 de noviembre de 1861) "Medición de magnitudes eléctricas y resistencia", The Electrician , 1 (1): 3–4.
12. Sir W. Thomson, et al. (1873) "First report of the Committee for the Selection and Nomenclature of Dynamical and Electrical Units", Report of the 43rd Meeting of the British Association for the Advancement of Science (Bradford, septiembre de 1873), pp. 222-225. De la p. 223: "El "ohmio", tal como lo representa la bobina estándar original, es aproximadamente 10 ⁹ unidades CGS de resistencia; el "voltio" es aproximadamente 10 ⁸ unidades CGS de fuerza electromotriz; y el "faradio" es aproximadamente 1/10 ⁹ de la unidad CGS de capacidad".
13. (Anónimo) (24 de septiembre de 1881) "El Congreso Eléctrico", The Electrician , 7  : 297.
14. Hamer, Walter J. (15 de enero de 1965). Celdas estándar: su construcción, mantenimiento y características (PDF) . Monografía n.° 84 de la Oficina Nacional de Normas. Oficina Nacional de Normas de EE. UU.
15. "Valores revisados ​​para unidades eléctricas" (PDF) . Bell Laboratories Record . XXV (12): 441. Diciembre de 1947.
16. Proyecto de Resolución A "Sobre la revisión del Sistema Internacional de Unidades (SI)" que se presentará a la CGPM en su 26ª reunión (2018) (PDF) , archivado desde el original (PDF) el 2018-04-29 , consultado el 2018-11-02

Enlaces externos

• Historia de las unidades eléctricas.